束流流強(qiáng)是電子儲存環(huán)的核心參數(shù)之一,由其計(jì)算得到的束流壽命更是衡量電子束流運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。2025年10月9日至28日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室束測團(tuán)隊(duì)為合肥先進(jìn)光源(HALF)自主研制的高速高精度束流流強(qiáng)測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)樣機(jī),在合肥光源(HLS-II)儲存環(huán)上順利完成束流測試。作為HALF的關(guān)鍵設(shè)備之一,該樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備全國產(chǎn)化,并通過優(yōu)化信號采樣頻率及處理算法,在直流流強(qiáng)測量領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異性能,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
傳統(tǒng)直流流強(qiáng)數(shù)據(jù)采集方案采用高位電壓表,數(shù)據(jù)率局限于1-10Hz。而本次自主研制的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(圖?1),采用國產(chǎn)定制化高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(24bits,最高采樣率2 MHz)作為核心元件,在現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)中實(shí)現(xiàn)信號處理。
在數(shù)據(jù)率?1Hz?的條件下,該系統(tǒng)直流流強(qiáng)測量分辨率優(yōu)于?0.67 μA,相比?HLS-II?及上海光源(SSRF) 現(xiàn)有流強(qiáng)測量系統(tǒng)(數(shù)據(jù)率?1Hz?時(shí),分辨率?1.4 μA)提升一倍(圖?2),達(dá)到當(dāng)前世界最高水平。當(dāng)數(shù)據(jù)率提升至?488Hz時(shí),該系統(tǒng)直流流強(qiáng)測量分辨率仍優(yōu)于?3 μA,可實(shí)現(xiàn)超快流強(qiáng)及壽命測量,適用于束流壽命快速變化的加速器研究,為相關(guān)研究提供極高的時(shí)間分辨率支持,也是國際上首個(gè)實(shí)現(xiàn)百Hz以上數(shù)據(jù)率高精度流強(qiáng)測量的系統(tǒng)。

圖?1?樣機(jī)實(shí)物圖,其中紅框內(nèi)為高精度ADC

圖?2?樣機(jī)實(shí)測分辨率與設(shè)定采樣頻率間的關(guān)系
該系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了對束流注入間隙壽命的精確測量(圖?3)。在?HLS-II?的束流補(bǔ)注運(yùn)行過程中,傳統(tǒng)?1Hz?采樣數(shù)據(jù)僅能反映流強(qiáng)的緩慢增長過程,而自研設(shè)備憑借?488Hz?的高采樣率,成功捕捉到每次補(bǔ)注的準(zhǔn)確時(shí)刻及注入后?1?秒內(nèi)的快速流強(qiáng)衰減情況。通過對流強(qiáng)衰減測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,精確計(jì)算出該工況下束流壽命為?10.66?小時(shí)?;谶@一超快流強(qiáng)測量技術(shù),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每次注入過程中的束團(tuán)捕獲率分析、束流損失比例計(jì)算及注入后壽命變化評估。對于?HALF?等采用連續(xù)補(bǔ)注模式運(yùn)行的儲存環(huán),該技術(shù)為注入效率和束流穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供關(guān)鍵手段,為深入解析束流動(dòng)力學(xué)行為提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖?3?樣機(jī)在HLS-II上測試的結(jié)果,包含一次典型的注入事件
該系統(tǒng)可應(yīng)用于電子自旋共振退極化研究等需要快速測量電子儲存環(huán)壽命的實(shí)驗(yàn)場景。在高亮度儲存環(huán)中,束流壽命會受到?Touschek?效應(yīng)、動(dòng)量散射、真空散射、集體不穩(wěn)定性等多種非線性機(jī)制影響。通過高時(shí)間分辨率的壽命變化測量,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測束流密度與能散變化,及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)現(xiàn)象,從而為儲存環(huán)工作點(diǎn)與腔體參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù),有望在基礎(chǔ)物理研究和加速器裝置性能提升方面發(fā)揮重要作用。
高分辨率、高數(shù)據(jù)率流強(qiáng)測量系統(tǒng)的成功研制,不僅為合肥先進(jìn)光源的順利建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),也為合肥先進(jìn)光源未來的精準(zhǔn)運(yùn)行與穩(wěn)定供光提供了有力保障。